Ответ на вопрос, почему одни углеводороды широко распространены в природе, а иные легко синтезировать, в отличие от других, нашла группа исследователей из Сколковского института науки и технологий, 17 августа сообщает пресс-служба Сколтеха.

Исследователи под руководством профессора Артёма Оганова позаимствовали подход в исследовании нанокластеров, где в качестве критерия «магических» (особо устойчивых) кластеров используется стабильность по отношению к соседним составам.

Этот метод позволил ученым создать карту стабильности, которая согласуется с экспериментальными наблюдениями и может использоваться для определения структуры новых потенциально легко синтезируемых углеводородов.

Результаты исследования были представлены разработчиками в статье «„Волшебные“ молекулы и новый взгляд на химическое разнообразие углеводородов», опубликованной в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Углеводороды описываются общей формулой CnHm, где n — количество атомов углерода, а m — количество атомов водорода в составе молекулы вещества. Они являются одним из основных классов органических молекул и представлены огромным множеством известных соединений. Однако до настоящего времени не существовало теории стабильности углеводородов.

Сергей Лепешкин, первый автор статьи, отметил, что в органической химии не существует четкой системы, которая бы объяснила, почему «какие-то молекулы могут существовать, а какие-то нет».

«Многое можно понять для каждой конкретной молекулы, если нарисовать ее химическую структуру — в этом помогают «палочки», которые символизируют связи между атомами, но в действительности многие концепции до сих пор вызывают споры и не отвечают на вопрос «почему?». Но «палочки“ — это не более чем удобная для человека абстракция, а строгим критерием стабильности соединений является энергия», — объясняет Лепешкин.

Сколковские ученые в своем исследовании оперлись на значения энергий для различных соединений. Причем стабильность этих соединений определяется не большим значением абсолютной энергии молекулы, а энергией ее превращения в соседние соединения, отличающиеся от них по формуле на один атом углерода или на 1–2 атома водорода.

Определяя наиболее стабильные соединения, исследователи использовали ранее предложенную для наночастиц концепцию «магичности», то есть устойчивости молекул.

Определение «магичности» ученые выполнили с помощью расчетов для широкого спектра соединений CnHm и в широком диапазоне составов (n ≤ 20, m≤ 42) с помощью разработанного в лаборатории алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography).

USPEX предсказывает структуры с минимальной энергией для каждого состава, «заставляя» разные молекулы конкурировать и обмениваться информацией друг с другом. Определив энергии для всех возможных соединений, программа автоматически находила среди них «магические» молекулы, что и позволило сформировать карту стабильности для всех углеводородов заданного диапазона.

«По сути мы получили всю химию углеводородов на одной схеме. Замечательно, что на ней в виде „хребтов стабильности“ просматриваются знакомые нам со школы гомологические ряды — серии соединений с закономерным изменением состава, структуры и свойств», — пояснил Артем Оганов.

Карта показывает, какие молекулы легко синтезировать, какие могут образовываться сами, накапливаясь и присутствуя в больших количествах, например, в планетных атмосферах и межзвездном пространстве. Кроме того, она предсказывает, какие соединения еще только предстоит найти или создать.

Оганов отметил, что особый интерес представляют соединения, не соответствующие критерию «магичности», но существующие, примерами которых является циклопропан — его нестабильность химики объясняют напряженными связями с неоптимальными углами; бутадиен — его повышенная активность и склонность к полимеризации используются в промышленном синтезе каучука; а также циклобутадиен, синтез которого потребовал порядка 30 лет изысканий.

Исследование химиков Сколтеха доказало существование единого энергетического критерия, позволяющего определять стабильность молекул углеводородов. При этом сам метод универсален и в дальнейшем его можно будет применить для анализа стабильности соединений различных классов.